集成电路课程设计——锁相环

集

成

电

路

实

验

报

告

学号：110800316 姓名：苏毅坚指导老师：罗国新

2011年1月

锁相环CD4046设计频率合成器

实验目的：设计一个基于锁相环CD4046设计频率合成器

范围是10k~100K，步进为1K

设计和制作步骤：

确定电路形式，画出电路图。

计算电路元件参数并选取元件。

组装焊接电路。

调试并测量电路性能。

确定电路组成方案

原理框图如下，锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接可编程的分频器，通过改变分频器的分配比N，从而就得到N倍参考频率的稳定输出。

晶体振荡器输出的信号频率f1，

经固定分频后（M分频）得到

基准频率f1’，输入锁相环的相

位比较器（PC）。锁相环的VCO

输出信号经可编程分频器（N分频）

后输入到PC的另一端，这两个信号进行相位比较，当锁相环路锁定后得到：f1/M=f1’=f2/N 故f2=Nf’1 (f’1为基准频率)

当N变化时，就可以得到一系列的输出频率f2。

设计方法

（一）、振荡源的设计

用CMOS与非门和1M晶体组成

1MHz振荡器，如图14。图中Rf 使

F1工作于线性放大区。晶体的等效

电感，C1、C2构成谐振回路。C1、

C2可利用器件的分布电容不另接。

F1、F2、F3使用CD4049。

（二）、N分频的设计

N分频采用CD40103进行分频。CD40103是BCD码8位分频器。采用8位拨码开关控制分频大小。输入的二进制大小即为分频器N分频。图中RP1为1K排阻

（三）、1KHZ标准信号源设计（即M分频的设计）

根据4518的输出波形图，可以看出4518包含二分频、四分频、十分频，用二片CD4518（共4个计数器）组成一个1000分频器，也就是三个十分频器，这样信号变为2Khz.再经过双D触发器，这样就可把2MHz的晶振信号变成500hz

的标准信号。如下图所示：

（四） 4046锁相环的设计锁相环4046为主芯片。电路图如下：500Hz 信号从14脚输入。3

脚4脚接N分频电路，即40103分频电路。13脚接低通滤波器。

本设计中，M固定，N可变。基准频率f’1

定为1KHz，改变N值，使N=1~999，则可产生

f2=1KHz—999KHz的频率范围。

锁相环锁存范围：

fmax=100KHz

fmin=1KHz

使用相位比较器PC2

由下图大概确定由VDD=5V选定，R1=10K，

R2=无穷大,即不接，得约

C1=600p左右。

由T1=R3*C2 右边公式

C2≈300pF，R3=10KΩ

由上述分析可得总设计电路图：

电路板制作

根据设计出来的原理图，用alter designer 进行Pcb的设计，得出Pcb如下图。画完检查下板看是否有错，如果没有错就直接进行PCb的制作，将板制作完成后，将电路上的元件焊接下去，检查是否有虚焊、漏焊。焊完成品如下图当一切完成后最后进行板的调试。

调试步骤：

本实验电路采用分模块设计，所以调试时采用分模块调试，每个模块调试成功后，将整个电路进行连接，最终得到实验总电路，最后进行测试输出结果。

首先测试的是晶振模块，接入+5V电源，测试晶振模块输出，用示波器进行检测，当示波器显示输出2Mhz方波时，表示输出正常。接下来测试1000分频器4518，4518由两个10进制分频器组成，两片构成1000分频。当4518输出2KHz 时，表示该模块正常。接下来测试双D触发器模块，由于D触发器，两个D触发器构成4分频，当输出结果为500Hz 时，表示正常。再测试40103分频器模块，40103为8为二进制分频器，将上面4518的2K信号输入进行测试，当输出的频率与拨码开关值加一再乘以两倍时，表示一切正常。最后将几个模块联合起来，进行测试4046锁相环的测试，调节4046振荡器频率上的电位器，使输出波形稳定，即上锁。调节低通滤波器电位器，使输出波形的频率的截至频率在100K左右时，调试完成。

测试结果：

拨动拨码盘，测输出频率

拨码盘输出频率f（Hz）

00000001 00010000

00000010 00100000

00000100 01000000

00001000 10000000

心得体会：

开始时，输出一直没有信号然后我分模块检查电路，一级一级的检查。首先我先检查了振荡源，M分频，N分频及锁相环模块，先确定是那个模块出了问题。检查结果发现振荡源不起振，经过认真检查了电路，后来发现晶振坏了。

2、振荡源起振后，输出仍然没有信号

1）检查M分频，用示波器观察4518各级分频器的输出信号，输出结果为1KHz，显然M分频模块正常工作。

2）检查锁相环部分，断开4046的鉴相器输入端（3）脚和4522的连线，让4046的（3）、（4）脚短接，即不分频。4046的（14）脚输入几KHz～几百KHz 的CMOS信号，4046的（4）脚输出信号能跟踪（14）脚输入信号，所以锁相部分也正常。

3）检查N分频，用函发源直接给4522的输入端输入100kHZ信号，把拨码盘拨为100，观察输出信号是否为1KHz，结果发现没有输出信号，可以判断问题是出在N分频部分，然后搭成单级电路的方法检查每片4522是否正常，再接成级

联的，拨盘开关置为100多，用示波器可以观察到分频器的输入、输出波形。

总之，经过分模块的检测，电路的排查，我们发现了好多的问题，主要是pcb电路布线的问题：电路板上好多管脚该连接的没有连接，应该是在设计pcb 的是后过急所引起的。于是，我们将所发现的问题进行解决，之后再次的调试，这次我们的振荡模块、M分频模块及N分频模块都工作成功，但是关键的锁相环模块还是存在问题。带着这些问题，我们回到宿舍。经过进一步的排查检测，我们再次发现了一条少接的线，重新接上后，锁相环开始工作了，但是频率只能锁到12K。于是，我们查看锁相环原理，进一步改进我们锁相环的外围参数。这一次我们终于成功啦：我们的锁定范围2K～110KHz，步进1K！看到我们测试结果，我们非常的高兴，再一次体会到了辛勤工作奋斗的结果！